Materiais Compósitos Avançados Impulsionam Lancha Voadora Revolucionária

A eletrificação global dos transportes é uma evolução desigual, simultaneamente habilitada e dificultada pelas inúmeras forças que governam o desenvolvimento tecnológico e afetam tudo, desde automóveis e aeronaves não tripuladas até transporte ferroviário e embarcações marítimas. Estas forças habilitadoras/dificultadoras incluem baterias de maturação rápida mas pesadas, supervisão governamental às vezes lenta para se adaptar, princípios de gravidade e atrito, rigorosos requisitos de segurança de passageiros, seguradoras ansiosas e desenvolvimento desigual de materiais leves.

Ainda assim, inovações em materiais, processamento, hardware e software estão tornando possíveis produtos que há poucos anos eram inconcebíveis, e pode não haver exemplo melhor disso do que o Seven, uma nova lancha de alta velocidade, todo-elétrica, de alto alcance, toda em compósito, com foils, sendo fabricada pela Candela Boats (Lidingö, Suécia) usando soluções de matriz de resina fornecidas pela Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, França).

Como Chegamos Aqui

A Candela Boats foi fundada em 2014 pelo CEO Gustav Hasselskog que, embora engenheiro de formação, havia trabalhado anteriormente como consultor e no mercado de químicos de consumo. Por sua própria admissão, Hasselskog "havia ficado entediado" com o mundo corporativo e decidiu que queria encontrar um trabalho mais significativo. Ele largou seu emprego corporativo em 2014 e durante aquele verão se retirou com sua família para uma casa localizada em um dos arquipélagos que cercam Estocolmo, Suécia.

"Tínhamos um barco de 25 pés com motor V-8", recorda Hasselskog, adicionando que ir a qualquer lugar e conseguir qualquer coisa exigia uma viagem de barco a Estocolmo, que custava pelo menos $50 por viagem. "Parecia um pouco estranho, gastar tanto dinheiro em um barco", diz ele. Hasselskog começou a fazer contas, imaginando o que seria necessário para tornar a navegação recreativa mais eficiente. "O que descobri", diz ele, "é que o tema não foi abordado para tornar barcos mais eficientes e torná-los elétricos."

Hasselskog começou a estudar o mercado naval recreativo mais a fundo. Estudou tecnologia de bateria e propulsão elétrica, determinando o que seria necessário para dar a um barco planante um alcance de pelo menos 50 milhas náuticas — uma meta que ele achava razoável. Até agora, a aplicação de propulsão totalmente elétrica em embarcações planantes foi assolada por falta de potência e falta de alcance, principalmente por causa do atrito da superfície da água que um barco deve superar. Além disso, para aumentar alcance ou potência em um barco planante requer a adição de baterias, que também adicionam peso e, por extensão, arrasto. Em resumo, Hasselskog descobriu, não era possível tornar um barco planante mais eficiente. "Um barco planante é um beco sem saída. Você não pode torná-lo mais eficiente", diz ele. "Foiling é o único caminho." Então, Hasselskog vendeu a casa de verão da família no arquipélago, e em 2014 a Candela Boats nasceu.

Foiling Não é para Cardíacos

O desafio primário do foiling reside na instabilidade inerente de um barco movendo-se através e sobre a água, mas não na superfície da água. Um foil — ou, mais precisamente, um hidrofólio — é uma estrutura semelhante a asa presa ao fundo do casco de um barco. O foil passa através da água perpendicular à direção de deslocamento e, usando os mesmos princípios do voo de aeronave, a uma certa velocidade fornece sustentação suficiente para elevar o barco completamente livre da água. O atrito do casco é assim eliminado, deixando o arrasto do foil e o ar como únicos resistores.

Foils podem assumir uma variedade de formas, mas em todos os casos eles devem fornecer uma superfície planar plana que passa pela água com a borda primeiro. E, como uma asa de aeronave, o ângulo de ataque de um foil na água pode ser ajustado para aumentar ou diminuir a sustentação. Foils também podem ser implantados em uma variedade de profundidades de água, mas a profundidade tem efeito na eficiência. Por exemplo, foiling de superfície relativamente raso é mais estável, mas menos eficiente. Foiling mais profundo é mais eficiente mas menos estável.

Em qualquer caso, "voar" sobre a água apresenta um ambiente hidrodinâmico muito diferente comparado ao enfrentado por um barco planante na superfície da água. Fora da água e andando sobre foils, um barco se comporta muito diferente — distribuição de peso, curvas, resistência ao vento e águas turbulentas devem ser cuidadosamente gerenciadas.

A tecnologia de foiling, embora tenha mais de 100 anos, até agora foi usada principalmente em grandes iates de corrida e algumas balsas de passageiros. Iates de corrida com foiling são tipicamente tripulados por grandes equipes bem treinadas para gerenciar uma estrutura de foiling dinâmica e rápida. Balsas com foiling dependem de foiling de superfície, que, como observado, é mais estável.

Hasselskog decidiu tornar seu barco de velocidade o mais eficiente possível e por isso optou por foils profundos. O desafio seria fazer um barco de foiling profundo operar facilmente, perfeitamente e com segurança, independentemente de quem está no leme. Fazer isso exigiria desenvolvimento de um sistema de controle de foiling sem precedentes, e uma estrutura de barco que não é apenas leve, mas projetada especificamente para foiling.

Construindo o Foil Perfeito

O Seven tem 7,7 metros de comprimento, 2,4 metros de largura, pesa 1.300 quilogramas e tem capacidade para seis pessoas. Usa dois foils, o maior dos quais é implantado cerca de 2 metros da frente do barco. O design do foil primário é relativamente simples: Dois suportes passam pelo casco na água e se prendem em ângulo reto a um foil que tem 2,35 metros de comprimento, 200 milímetros de largura e 25 milímetros de espessura. O foil — também chamado de foil Π invertido — é orientado perpendicular à direção de deslocamento. Os suportes do foil são motor-acionados para mover para cima e para baixo para baixar e erguer o foil. Quando o barco não está em foiling, o foil é totalmente retraído nivelado com o casco do barco. Em velocidades de foiling, o foil é implantado na água a uma profundidade máxima de 550 milímetros.

Na traseira do barco há um segundo, menor foil em T que também atua como leme. Ele é preso a um motor elétrico de 55 quilowatts que aciona um eixo no leme que gira uma hélice na extremidade do leme. O motor é alimentado por baterias recarregáveis, localizadas na seção muito frontal do casco, para fornecer equilíbrio quando o barco está em foiling. O Seven começa foiling a 14-15 nós, cruza a 22 nós, tem velocidade máxima de 30 nós e alcance de 50 milhas náuticas.

Teodor Hällestrand, gerente de produto na Candela Boats, diz que os suportes e foils são compósitos de fibra de carbono/epóxi e representaram um desafio significativo de engenharia de design. Para fornecer o controle necessário para uma navegação suave, a Candela precisava ser capaz de ajustar o foil às condições cambiantes do barco. Isso requer um sistema de sensor/controle altamente dinâmico emparelhado com um foil altamente responsivo. "O foil é reto, mas queríamos ser capazes de torcê-lo na água, dependendo de velocidade, ângulo de rolagem, ângulo de arfagem e ângulo de guinada", diz Hällestrand. "Podemos entender como o barco está posicionado e então ajustar para orientação para tornar a navegação o mais suave possível." Isso é realizado pelo sistema de controle, que ajusta dinamicamente os suportes para alterar o ângulo de ataque do foil ou torcer o foil, particularmente para curvas.

Hasselskog diz: "Precisamos ser capazes de torcer o foil frontal ou fornecer um ângulo de ataque diferente." Todas estas ações acontecem sob carga, ele diz, "então precisamos de um material com baixa rigidez torsional, mas com alta rigidez de flexão." O resultado é um "plano de laminação bastante elaborado" que usa fitas de fibra de carbono unidirecional (UD) (principalmente ±45 graus) para fornecer a rigidez e capacidades de flexão requeridas. O foil usa fibra de carbono de módulo padrão de uma variedade de fornecedores e infundido com resina epóxi SR1710 fornecida pela Sicomin Epoxy Systems. O foil é curado a temperatura ambiente, seguido por pós-cura a 40°C.

Não é um Casco Comum

Em nenhum lugar a partida do Seven dos padrões de design de barcos planantes é mais aparente do que no casco — tanto no design quanto na engenharia. Mais notável é o fato de que embora apresente um casco padrão em V, quebra-ondas na frente do barco, o casco é plano da frente dos foils até a popa. Hasselskog aponta várias razões para isso.

Primeiro, ele diz, "precisamos apenas do formato V para furar as ondas." Também protege os foils quando o barco não está em foiling. Segundo, achatar metade do casco simplifica a manufatura e economiza muito peso. Terceiro, ele diz, o fundo plano torna o barco incrivelmente estável no cais para embarque/desembarque. "É como uma barcaça", ele nota.

Dentro do casco, no entanto, é onde a Candela trabalhou para tornar o Seven não apenas estruturalmente sólido, mas adaptável a manufatura eficiente em taxa relativamente alta. Hällestrand diz que o casco é comparável em design a uma fuselagem de aeronave — uma pele cercando uma treliça de longarinas e nervuras. Como o foil, o casco é infundido, usando a mesma fibra de carbono UD e epóxi SR1710, fabricado em ferramental compósito também feito com SR1710. Espessura do casco abaixo da linha d'água é 3 milímetros; espessura acima da linha d'água é 2 milímetros.

Marc Denjean, gerente de exportação na Sicomin, diz que o SR1710 é um sistema epóxi de performance que fornece "propriedades mecânicas muito acima da média." A Sicomin também fornece um primer epóxi de alta espessura in-mold, o que significa que o casco é desmoldado pronto para pintura.

Para construir as longarinas e nervuras, a Candela começa com painéis laminados sólidos de fibra de carbono/epóxi infundidos de 3 milímetros de espessura e então os usina CNC para dar forma, dependendo de onde no casco o laminado está sendo colocado. Para construir a estrutura do casco — longarinas e nervuras — estas formas cortadas são então montadas e presas umas às outras e ao casco com colagem adesiva e fixadores mecânicos.

Este processo de design/manufatura de corte e montagem de laminado, diz Hasselskog, provou ser altamente eficiente e permite à Candela Boats construir a estrutura do casco em apenas 40 horas. Também permite à empresa ajustar facilmente estruturas internas a mudanças de design sem a despesa e tempo necessários para modificar moldes. "É fácil escalar, fazer mudanças ou construir nova estrutura apenas alterando código de usinagem", ele diz.

O Resultado Final

Em consonância com a visão original de Hasselskog, a eficiência do Seven é difícil de bater — é 4-5 vezes mais eficiente energeticamente que um barco planante a gás comparável e converte 90% de sua energia química em energia mecânica. Além disso, o custo de propriedade do Seven, segundo a Candela, é 95% menor que um barco planante a gás comparável.

A empresa tem 190 pedidos para o Seven, e espera montar 40 barcos em 2020. Hasselskog diz que atualmente a Candela é apenas designer e montadora de barcos. Fabricação de estruturas compósitas está sendo feita por terceiros, mas Hasselskog diz que a Candela pode trazer esse trabalho internamente à medida que busca otimizar processos de manufatura e, finalmente, reduzir a pegada de carbono da empresa. "Temos que baixar nossos custos, e isso significa manufaturar mais eficientemente", diz Hasselskog. "Não estamos lá ainda, mas estamos indo na direção certa."